Въздушни цинкови елементи. Цинково-въздушни батерии - пробив в съхранението на енергия? Стилен външен вид

Навлизането на компактни цинково-въздушни батерии на масовия пазар може значително да промени ситуацията в пазарния сегмент на малогабаритни автономни захранвания за преносими компютри и цифрови устройства.

енергиен проблем

и през последните години флотът от преносими компютри и различни цифрови устройства се увеличи значително, много от които се появиха на пазара съвсем наскоро. Този процес се ускори значително поради нарастващата популярност на мобилни телефони. От своя страна бързото нарастване на броя на преносимите електронни устройства предизвика сериозно нарастване на търсенето на автономни източници на електроенергия, по-специално на различни видовебатерии и акумулатори.

Необходимостта от осигуряване на огромен брой преносими устройства с батерии обаче е само едната страна на проблема. По този начин, с развитието на преносимите електронни устройства, плътността на монтажните елементи и мощността на използваните в тях микропроцесори се увеличават само за три години, тактовата честота на използваните PDA процесори се е увеличила с порядък. Малките монохромни екрани се заменят с цветни дисплеи с с висока резолюцияи по-голям размер на екрана. Всичко това води до увеличаване на потреблението на енергия. Освен това в областта на преносимата електроника има ясна тенденция към по-нататъшна миниатюризация. Като се вземат предвид горните фактори, става съвсем очевидно, че увеличаването на енергийната интензивност, мощността, издръжливостта и надеждността на използваните батерии е един от съществени условиядоставя по-нататъчно развитиепреносими електронни устройства.

Проблемът с възобновяемите автономни източници на енергия е много остър в сегмента на преносимите компютри. Съвременните технологии позволяват създаването на лаптопи, които практически не са по-ниски по отношение на функционалността и производителността на пълноценните настолни системи. Липсата на достатъчно ефективни автономни източници на захранване обаче лишава потребителите на лаптопи от едно от основните предимства на този тип компютри - мобилността. Добър показател за модерен лаптоп, оборудван с литиево-йонна батерия, е животът на батерията от около 4 часа 1, но за пълноценна работа в мобилна средатова явно не е достатъчно (например полет от Москва до Токио отнема около 10 часа, а от Москва до Лос Анджелис почти 15).

Едно от решенията на проблема с увеличаването на времето живот на батериятапреносимите персонални компютри е преходът от вече обичайните никел-метални хидридни и литиево-йонни батерии към химически горивни клетки 2 . Най-обещаващите от гледна точка на приложение в преносими електронни устройства и персонални компютри са горивните клетки с ниска работна температура като PEM (Proton Exchange Membrane) и DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Като гориво за тези елементи се използва воден разтвор на метилов алкохол (метанол) 3.

На този етап обаче би било твърде оптимистично да описваме бъдещето на химическите горивни клетки изключително в розови цветове. Факт е, че най-малко две пречки стоят на пътя на масовото разпространение на горивни клетки в преносими електронни устройства. Първо, метанолът е доста токсично вещество, което предполага повишени изисквания за херметичност и надеждност на горивните касети. Второ, за да се осигури приемлива скорост на химичните реакции в горивните клетки с ниска работна температура, е необходимо да се използват катализатори. PEM и DMCF клетките в момента използват катализатори, направени от платина и нейните сплави, но природните ресурси на това вещество са малки и цената му е висока. Теоретично е възможно платината да бъде заменена с други катализатори, но досега нито един от екипите, занимаващи се с изследвания в тази посока, не е успял да намери приемлива алтернатива. Днес така нареченият платинен проблем е може би най-сериозната пречка за широкото използване на горивни клетки в преносими компютри и електронни устройства.

1 Това се отнася за времето за работа от стандартна батерия.

2 Повече информация за горивните клетки можете да намерите в статията „Горивни клетки: година на надежда“, публикувана в брой 1’2005.

3 PEM клетките с водороден газ са оборудвани с вграден конвертор за производство на водород от метанол.

Въздушно-цинкови елементи

Въпреки че авторите на редица публикации смятат цинково-въздушните батерии и акумулатори за един от подвидовете горивни клетки, това не е съвсем вярно. След като се запознахме с устройството и принципа на работа на цинково-въздушните клетки, дори в общи линии, можем да направим напълно недвусмислено заключение, че е по-правилно да ги разглеждаме като отделен клас автономни източници на енергия.

Конструкцията на цинково-въздушната клетка включва катод и анод, разделени от алкален електролит и механични сепаратори. Като катод се използва газодифузионен електрод (GDE), чиято пропусклива мембрана позволява получаването на кислород от циркулиращия през него атмосферен въздух. „Горивото“ е цинковият анод, който се окислява по време на работа на елемента, а окислителят е кислородът, получен от атмосферния въздух, влизащ през „дихателните отвори“.

На катода възниква реакция на електроредукция на кислород, чиито продукти са отрицателно заредени хидроксидни йони:

O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH -.

Хидроксидните йони се движат в електролита към цинковия анод, където протича реакцията на окисляване на цинка с освобождаване на електрони, които се връщат към катода през външна верига:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Съвсем очевидно е, че цинково-въздушните клетки не попадат в класификацията на химическите горивни клетки: първо, те използват консумативен електрод (анод), и второ, горивото първоначално се поставя вътре в клетката и не се доставя отвън по време на работа.

Напрежението между електродите на една клетка от цинк-въздушната клетка е 1,45 V, което е много близко до това на алкалните (алкални) батерии. Ако е необходимо, за да се получи по-високо захранващо напрежение, няколко последователно свързани клетки могат да се комбинират в батерия.

Цинкът е доста често срещан и евтин материал, така че когато се въведе масово производство на цинково-въздушни елементи, производителите няма да имат проблеми със суровините. Освен това дори в началния етап цената на такива захранвания ще бъде доста конкурентна.

Също така е важно, че въздушно-цинковите елементи са много екологични продукти. Материалите, използвани за производството им, не отравят околната среда и могат да се използват повторно след обработка. Реакционните продукти на елементите въздух-цинк (вода и цинков оксид) също са абсолютно безопасни за хората и околната среда - цинковият оксид дори се използва като основен компонент на бебешката пудра.

От експлоатационните свойства на въздушно-цинковите елементи си струва да се отбележат такива предимства като ниска скоростсаморазреждане в неактивирано състояние и малка промяна в големината на напрежението с напредване на разряда (плоска крива на разреждане).

Известен недостатък на въздушно-цинковите елементи е влиянието на относителната влажност на входящия въздух върху характеристиките на елемента. Например, за цинково-въздушен елемент, предназначен за работа при условия на 60% относителна влажност на въздуха, с повишаване на влажността до 90%, експлоатационният живот намалява с около 15%.

От батерии до акумулатори

Батериите за еднократна употреба са най-лесната за изпълнение цинково-въздушна клетка. При създаване на въздушно-цинкови елементи голям размери мощност (например предназначени за захранване на електроцентрали Превозно средство) касетите с цинков анод могат да бъдат направени сменяеми. В този случай, за да подновите енергийния резерв, е достатъчно да премахнете касетата с използвани електроди и вместо това да инсталирате нова. Отработените електроди могат да бъдат възстановени за повторна употреба чрез електрохимичен метод в специализирани предприятия.

Ако говорим за компактни батерии, подходящи за използване в преносими компютри и електронни устройства, тогава практическата реализация на варианта със сменяеми касети с цинков анод е невъзможна поради малкия размер на батериите. Ето защо повечето от компактните цинкови въздушни клетки на пазара в момента са за еднократна употреба. Цинк-въздушни батерии за еднократна употреба с малък размер се произвеждат от Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, както и местното предприятие Energia. Основният обхват на такива захранвания е слухови апарати, преносими радиостанции, фотографско оборудване и др.

Сега много компании произвеждат цинково-въздушни батерии за еднократна употреба.

Преди няколко години AER произведе Power Slice цинково-въздушни плоски батерии за преносими компютри. Тези артикули са предназначени за преносимите компютри Omnibook 600 и Omnibook 800 на Hewlett-Packard; животът на батерията им варира от 8 до 12 часа.

По принцип има и възможност за създаване на акумулаторни цинково-въздушни клетки (акумулатори), в които при свързване външен източникток в анода, реакцията на редукция на цинк ще продължи. Практическото изпълнение на подобни проекти обаче отдавна е възпрепятствано от сериозни проблеми, причинени от химичните свойства на цинка. Цинковият оксид се разтваря добре в алкален електролит и в разтворена форма се разпределя в целия обем на електролита, отдалечавайки се от анода. Поради това, когато се зарежда от външен източник на ток, геометрията на анода се променя до голяма степен: цинкът, редуциран от оксид, се отлага върху повърхността на анода под формата на лентови кристали (дендрити), подобни по форма на дълги шипове . Дендритите пробиват сепараторите, причинявайки късо съединениевътре в батерията.

Този проблемутежнено от факта, че за увеличаване на мощността анодите на въздушно-цинковите клетки са направени от натрошен цинков прах (това ви позволява значително да увеличите повърхността на електрода). По този начин, тъй като броят на циклите на зареждане-разреждане се увеличава, повърхностната площ на анода постепенно ще намалява, което има отрицателно въздействие върху производителността на клетката.

Към днешна дата Zinc Matrix Power (ZMP) постигна най-голям успех в областта на компактните цинково-въздушни батерии. Експертите на ZMP разработиха уникална технология Zinc Matrix, която позволи да се решат основните проблеми, които възникват в процеса на зареждане на батериите. Същността на тази технология е използването на полимерно свързващо вещество, което осигурява безпрепятствено проникване на хидроксидни йони, но в същото време блокира движението на цинковия оксид, който се разтваря в електролита. Благодарение на използването на това решение е възможно да се избегне забележима промяна във формата и повърхността на анода за най-малко 100 цикъла на зареждане-разреждане.

Предимствата на цинково-въздушните батерии са дълго време на работа и висока специфична енергийна интензивност, поне два пъти по-висока от тази на най-добрите литиево-йонни батерии. Специфичната енергийна интензивност на цинково-въздушните батерии достига 240 Wh на 1 kg тегло, а максималната мощност е 5000 W/kg.

Според разработчиците на ZMP днес е възможно да се създадат цинково-въздушни батерии за преносими електронни устройства (мобилни телефони, цифрови плейъри и др.) С енергиен капацитет от около 20 Wh. Минималната възможна дебелина на такива захранвания е само 3 мм. Експерименталните прототипи на цинково-въздушни батерии за лаптопи са с енергиен капацитет от 100 до 200 Wh.

Прототип на цинково-въздушна батерия, разработен от Zinc Matrix Power

Друго важно предимство на цинково-въздушните батерии е пълното отсъствие на така наречения ефект на паметта. За разлика от други видове батерии, цинково-въздушните клетки могат да се зареждат при всяко ниво на зареждане, без да се компрометира енергийният им капацитет. Освен това, за разлика от литиеви батериивъздушно-цинковите елементи са много по-безопасни.

В заключение е невъзможно да не споменем едно важно събитие, което се превърна в символична отправна точка за комерсиализацията на цинкови въздушни клетки: на 9 юни миналата година Zinc Matrix Power официално обяви подписването на стратегическо споразумение с Intel Corporation. В съответствие с клаузите на това споразумение ZMP и Intel ще обединят усилията си в разработването на нова технологияакумулаторни батерии за лаптопи. Сред основните цели на тези работи е увеличаването на живота на батерията на лаптопите до 10 часа. Според съществуващия план, първите модели, оборудвани с цинково-въздушни батериипреносимите компютри трябва да се появят в продажба през 2006 г.

Миниатюрни въздушно-цинкови батерии (галванични "хапчета") с номинално напрежение 1.4V се използват за надеждна и непрекъсната работа на аналогови и цифрови слухови апарати, усилватели на звука и кохлеарни импланти. Високата екологичност на микробатериите и невъзможността за изтичане гарантират пълна сигурностпотребители. Нашият онлайн магазин Ви предлага да закупите на достъпни цени най-широката гама от висококачествени батерии за вътреушни, вътреушни и заушни слухови апарати.

Предимства на батериите за слухови апарати

Корпусът на цинково-въздушната батерия съдържа цинков анод, въздушен електрод и електролит. Катализаторът на окислителната реакция и образуването на електрически ток е атмосферният кислород, който влиза през специална мембрана в корпуса. Тази конфигурация на батерията осигурява редица предимства в производителността:

• компактност и ниско тегло;
• лекота на съхранение и използване;
• равномерно връщане на заряда;
• нисък саморазряд (от 2% на година);
• дълъг експлоатационен живот.

За да можете своевременно да замените износените батерии с нови в устройства с ниска, средна и висока мощност, ние продаваме батерии за слухови апарати в Санкт Петербург в удобни опаковки от 4, 6 или 8 бр.

Как да закупите батерии за слухови апарати

На нашия уебсайт винаги можете да закупите на дребно и едро батерии за устройства за усилване на слуха от известни производители Renata, GP, Energizer, Camelion. За да изберете правилно размера на батерията, използвайте нашата таблица, като се фокусирате върху цвета защитно фолиои тип устройство.

Нашите цени са по-ниски от нашите конкуренти, защото купуваме директно от производителя.

Тези елементи са най-плътните от всички модерни технологии. Причината за това бяха компонентите, използвани в тези батерии. Тези клетки използват атмосферен кислород като катоден реагент, което е отразено в името им. За да може въздухът да реагира с цинковия анод, в кутията на батерията се правят малки дупки. Като електролит в тези клетки се използва калиев хидроксид, който е с висока проводимост.
Първоначално проектирани като източник на енергия без презареждане, цинковите въздушни клетки имат дълъг и стабилен срок на годност, поне когато се съхраняват херметически и неактивни. В този случай през годината на съхранение такива елементи губят около 2 процента от капацитета си. След като въздухът попадне в батерията, тези батерии не издържат повече от месец, независимо дали ги използвате или не.
Някои производители са започнали да използват същата технология в акумулаторни клетки. Най-доброто от всичко е, че такива елементи са се доказали по време на продължителна работа в устройства с ниска мощност. Основният недостатък на тези елементи е високото вътрешно съпротивление, което означава, че за да се постигне висока мощност, те трябва да бъдат огромни. А това означава необходимостта от създаване на допълнителни отделения за батерии в лаптопите, сравними по размер със самия компютър.
Но трябва да се отбележи, че те започнаха да получават такова приложение съвсем наскоро. Първият подобен продукт е съвместно творение на Hewlett-Packard Co. и AER Energy Resources Inc. - PowerSlice XL - показа несъвършенството на тази технология, когато се използва в преносими компютри. Тази батерия, предназначена за лаптопа HP OmniBook 600, тежеше 3,3 кг - повече от самия компютър. Тя осигури само 12 часа работа. Energizer също започнаха да използват тази технология в своите малки бутонни батерии, използвани в слухови апарати.
Презареждането на батериите също не е лесна задача. Химическите процеси са много чувствителни към електрически токдоставени към батерията. Ако приложеното напрежение е твърде ниско, батерията ще подава ток, вместо да приема. Ако напрежението е твърде високо, могат да започнат нежелани реакции, които могат да повредят елемента. Например, когато напрежението се повиши, силата на тока задължително ще се увеличи, в резултат на което батерията ще прегрее. И ако продължите да зареждате клетката, след като е напълно заредена, в нея може да започнат да се отделят експлозивни газове и дори да възникне експлозия.

Технологии за зареждане
Съвременните устройства за презареждане са доста сложни електронни устройствас различна степен на защита - както на вашите, така и на вашите батерии. В повечето случаи всеки тип клетка има собствено зарядно устройство. Ако зарядното устройство се използва неправилно, не само батериите, но и самото устройство или дори системи, захранвани от батерии, могат да се повредят.
Има два режима на работа зарядни устройства- с постоянно напрежение и с постоянен ток.
Най-простите са устройства с постоянно напрежение. Те винаги произвеждат едно и също напрежение и доставят ток, който зависи от нивото на батерията (и други фактори на околната среда). Докато батерията се зарежда, нейното напрежение се увеличава, така че разликата между потенциалите на зарядното устройство и батерията намалява. В резултат на това през веригата протича по-малко ток.
Всичко, което е необходимо за такова устройство, е трансформатор (за намаляване на напрежението на зареждане до нивото, необходимо за батерията) и токоизправител (за коригиране на AC към DC, използван за зареждане на батерията). Такива прости устройства за презареждане се използват за зареждане на автомобилни и корабни батерии.
По правило подобни устройства се зареждат оловни батерииза източници непрекъсваемо захранване. Освен това устройства с постоянно напрежение се използват и за презареждане на литиево-йонни клетки. Само там са добавени вериги за защита на батериите и техните собственици.
Вторият тип зарядно устройство осигурява постоянен ток и променя напрежението, за да осигури необходимото количество ток. След като напрежението достигне нивото на пълно зареждане, зареждането спира. (Не забравяйте, че напрежението, създадено от клетката, пада, докато се разрежда.) Обикновено такива устройства зареждат никел-кадмиеви и никел-метални хидридни клетки.
В допълнение към желаното ниво на напрежение, зарядните устройства трябва да знаят колко време отнема презареждането на клетката. Батерията може да се повреди, ако я зареждате твърде дълго. В зависимост от вида на батерията и от "интелигентността" на зарядното се използват няколко технологии за определяне на времето за презареждане.
В най-простите случаи това използва напрежението, генерирано от батерията. Зарядното устройство следи напрежението на батерията и се изключва, когато напрежението на батерията достигне прагово ниво. Но тази технология не е подходяща за всички елементи. Например, за никел-кадмий не е приемливо. В тези елементи кривата на разреждане е близка до права линия и може да бъде много трудно да се определи нивото на праговото напрежение.
По-"сложните" зарядни определят времето за презареждане според температурата. Тоест устройството следи температурата на клетката и изключва или намалява зарядния ток, когато батерията започне да се нагрява (което означава презареждане). Обикновено в такива батерии са вградени термометри, които следят температурата на елемента и предават съответния сигнал към зарядното устройство.
„Умните“ устройства използват и двата метода. Те могат да преминат от висок ток на зареждане към нисък ток на зареждане или могат да поддържат D.C.с помощта на специални сензори за напрежение и температура.
Стандартните зарядни устройства дават по-малък заряден ток от разрядния ток на клетката. А зарядните устройства с голяма стойност на тока дават повече ток от номиналния разряден ток на батерията. Устройството за бавно зареждане използва толкова малък ток, че почти не позволява на батерията да се саморазрежда (по дефиниция такива устройства се използват за компенсиране на саморазреждането). Обикновено зарядният ток в такива устройства е една двадесета или една тридесета от номиналния ток на разреждане на батерията. Съвременните зарядни устройства често могат да се справят с множество зарядни токове. Те използват по-високи токове в началото и постепенно преминават към по-ниски токове, когато се приближат до пълно зареждане. Ако използвате батерия, която може да издържи на бавно зареждане (никел-кадмиевите, например, не го правят), тогава в края на цикъла на презареждане устройството ще премине към този режим. Повечето зарядни устройства за лаптопи и мобилни телефониса проектирани така, че да могат да бъдат постоянно свързани с елементите и да не ги увреждат.

Манган цинков елемент. (1) метална капачка, (2) графитен електрод ("+"), (3) цинкова чаша (" "), (4) манганов оксид, (5) електролит, (6) метален контакт. Манган цинков елемент, ... ... Wikipedia

RC 53M (1989) Живачно-цинкова клетка ("RC тип") е галванична клетка, в която цинкът е анод ... Wikipedia

Батерия Oxyride Батериите Oxyride™ са марката за батерии за еднократна употреба (не презареждащи се), разработени от Panasonic. Те са предназначени специално за устройства с висока консумация на енергия ... Wikipedia

Нормалната клетка на Уестън, живачно-кадмиевата клетка е галванична клетка, чиято ЕМП е много стабилна във времето и възпроизводима от случай на случай. Използва се като източник на референтно напрежение (ION) или стандарт за напрежение ... ... Wikipedia

STs 25 Сребърно-цинкова батерия е вторичен химически източник на ток, батерия, в която анодът е сребърен оксид, под формата на пресован прах, катодът е смес ... Wikipedia

Миниатюрни батерии с различни размери Миниатюрна батерия, батерия с размер на бутон, за първи път е широко използвана в електронните ръчни часовници, затова се нарича още ... Wikipedia

Живачно-цинкова клетка („тип RC“) е галванична клетка, в която анодът е цинк, катодът е живачен оксид, а електролитът е разтвор на калиев хидроксид. Предимства: постоянно напрежение и огромен енергиен интензитет и енергийна плътност. Недостатъци: ... ... Wikipedia

Манганово-цинкова електрохимична клетка, която използва манганов диоксид като катод, прахообразен цинк като анод и алкален разтвор, обикновено калиев хидроксид, като електролит. Съдържание 1 История на изобретението ... Wikipedia

Никел-цинковата батерия е химически източник на ток, в който цинкът е анод, калиев хидроксид с литиев хидроксид като електролит и никелов оксид като катод. Често се съкращава като NiZn. Предимства: ... ... Wikipedia

В петия брой на нашето списание разказахме как сами да си направим газов акумулатор, а в шестия брой оловно-калиев акумулатор. Предлагаме на читателите друг вид източник на ток - въздушно-цинков елемент. Този елемент не изисква зареждане по време на работа, което е много важно предимство пред батериите.

Елементът цинк-въздух сега е най-модерният източник на ток, тъй като има относително висока специфична енергия (110-180 Wh / kg), лесен е за производство и работа и е най-обещаващият по отношение на увеличаването на неговите специфични характеристики. Теоретично изчислената плътност на мощността на елемент цинк-въздух може да бъде до 880 Wh/kg. Ако се постигне дори половината от тази мощност, елементът ще стане много сериозен съперник на двигателя с вътрешно горене.

Много важно предимство на въздушно-цинковия елемент е

малка промяна в напрежението при натоварване, докато се разрежда. В допълнение, такъв елемент има значителна здравина, тъй като неговият съд може да бъде изработен от стомана.

Принципът на действие на въздушно-цинковите елементи се основава на използването на електрохимична система: цинк - разтвор на каустик калий - активен въглен, който адсорбира кислорода от въздуха. Чрез избора на състава на електролита, активната маса на електродите и избора на оптималния дизайн на елемента е възможно значително да се увеличи неговата специфична мощност.